建筑群地下車庫充電樁配電設計方案探討

王學軍

摘要： 本文主要介紹了電動汽車充電樁的設計要求，分析了在充電樁容量計算中，影響需要系數(shù)取值的因素及取值建議。以某項目商業(yè)辦公及住宅綜合體地下車庫為例，介紹電動汽車充電樁配電設計解決方案。

關鍵詞： 充電樁;需要系數(shù);負荷計算;變壓器容量

0? 引言

2016年6月，上海市政府相關部門根據(jù)住建部下發(fā)的《住房城鄉(xiāng)建設部關于加強城市電動汽車充電設施規(guī)劃建設工作的通知》（建規(guī)[2015]199號），提出新建項目的規(guī)劃條件、修規(guī)批復以及在《工程建設審批書》中增加以下要求：新建住宅配建停車位應100%建設充電設施或預留充電設施安裝條件，每個公共建筑配建停車場、社會公共停車場具有充電設施的停車位不少于總車位的10%。本文針對項目具體情況，在設計院未考慮汽車充電樁方案及容量的前提下，提出針對性的解決方案，并且滿足管理部門要求的充電樁供配電設計解決方案。

1? 充電樁的分類和技術參數(shù)

目前，充電裝置一般劃分為傳導式充電和快速更換電池兩類，考慮到更換電池成本較高、更換程序較為復雜，在常見的民用建筑內一般選擇傳導式充電裝置。傳導式充電樁的進線輸入經(jīng)由變壓器、配電總箱等與交流電網(wǎng)相連接，充電樁的末端通過自帶充電插頭為電動汽車提供充電服務，常見的安裝方式為固定在地面或墻面。

充電樁一般提供常規(guī)慢速充電和快速充電兩種充電方式，即快速充電方式由直流充電樁提供，其將電網(wǎng)交流電能變換為直流電能，是為電動汽車動力蓄電池充電的專用充電裝置，適用于城市交通停車場、高速公路停車場、企業(yè)專用停車場，少量設在大型商業(yè)辦公停車場。充電速度快（1～2H滿載），但電池損耗大，且裝置占地面積大。而交流充電樁則俗稱“慢充”，體積較小，安裝方便，但充電時間較長（5～8H滿載）可以方便安裝于各種公共停車場，為具備車載充電機的電動汽車提供交流電能。分單相和三相兩種。[1]

2? 用電負荷等級

地下停車庫的用電負荷等級在JGJ 100-2015《車庫建筑設計規(guī)范》中規(guī)定，特大型（>1000輛）和大型車庫（300～1000輛）按一級負荷供電;中型車庫（51～300輛）按二級負荷供電;小型車庫（<50輛）按三級負荷供電。而充電樁供電的用電等級根據(jù)其使用功能，可不考慮車庫的規(guī)模，均按三級負荷設計。充電樁的智能監(jiān)控系統(tǒng)用電按二級以上負荷設計，系統(tǒng)設置UPS電源作為備用電源。[2]

3? 充電樁容量計算

3.1? ?充電負荷計算

單臺充電樁輸入負荷大小計算[3]見下式，

式中：P—單臺充電樁的輸出功率，單位為KW;

S—單臺充電樁的輸入容量，單位為KVA;

Cosφ—充電樁的功率因數(shù)，取0.9;

Η—充電樁的工作效率，取0.9;

車庫充電樁總輸入負荷大小計算見下式，

式中：K—充電樁同時系數(shù)，由充電樁數(shù)量決定;

3.2? ?需要系數(shù)Kx的取值分析

對于上海住宅小區(qū)的地下停車庫，需要系數(shù)KX的取值應考慮以下因素：電動汽車的保有量占比持續(xù)走高，但遠未達到人手一部，并且科技技術水平還在不斷提升;市面上電動汽車續(xù)航里程普遍為150～250km，而市區(qū)代步平均每日50km，每隔1～2天才需充電;市場銷售主流車型額定功率為6.3kW，而交流充電樁的額定功率為7kW;電動汽車充電主要集中在晚上，此時公建配套和少量商業(yè)用電處于用電低谷時段，變壓器主要為充電樁供電。綜上所述，住宅小區(qū)充電樁按100%的車位數(shù)設置的需要系數(shù)Kx建議為0.15～0.25。充電樁設置占車位30%左右，建議需要系數(shù)為0.45～0.55，充電樁設置占車位15%左右，需要系數(shù)為0.7～0.8。

對于上海商業(yè)辦公的地下停車庫，需要系數(shù)Kx的取值應考慮以下因素： 商業(yè)辦公停車庫主要停放商業(yè)消費客戶的客戶私車、商業(yè)辦公員工的家用私車兩類汽車，前者汽車進出頻繁，時間較短，后者上班期間長時間停留。充電樁的類型應根據(jù)實際情況快慢結合。直流充電樁和交流充電樁的配比一般可按1：5設置，前者數(shù)量少、使用率高，Kx值建議取0.6～0.7;后者數(shù)量多、使用率低，Kx值取0.5～0.6。

商業(yè)辦公停車場的充電樁按防火分區(qū)配電，由低壓配電房引出配電干線至防火分區(qū)充電樁的配電箱，配電干線的需要系數(shù)根據(jù)充電樁的數(shù)量確定，建議取0.5～0.8.

因此，充電樁容量計算中需要系數(shù)的取值應根據(jù)車庫的規(guī)模、充電樁設置占停車庫車位的比例、以及不同業(yè)態(tài)停車庫的充電樁類型和充電樁的總量合理安排。系數(shù)過高，變壓器容量計算偏大，變壓器的負荷率偏低，供配電設備投資加大;系數(shù)過低，充電樁使用數(shù)量受限，配電系統(tǒng)不能滿足日常需求。只有合理取值，供配電系統(tǒng)設計才能達到經(jīng)濟節(jié)能，遠近兼顧。

4 項目實例

4.1 項目簡介

該項目位于上海市，以南北向的道路分為01和02兩個地塊。地塊南側以地塊外掛商業(yè)（地下二層與地鐵站臺平接處）為過渡，毗鄰建設中的軌交車站。

01為商業(yè)、辦公綜合性建筑群，02為住宅小區(qū)與商業(yè)綜合體建筑群。同時兩個地塊各包含地下一層、地下二層商業(yè)（含局部汽車庫），地下三層為汽車庫，東西兩個地塊地下二層、地下三層通過跨道路連通道相連通。另外，地塊內地下二層商業(yè)與地鐵外掛商業(yè)通過下沉廣場等形式于地下二層相連通。01地塊內含三幢90米以內的高層辦公塔樓（A1#＼A2#＼A3#）及四層商業(yè)及酒店裙房。02地塊內含C4#＼B5#＼C6#＼C7#四幢高層住宅及一樁20層商業(yè)高層塔樓（B8#），商業(yè)裙房B0#為三層。

項目總建筑面積約43萬平方米。共設9個低壓配電站，均位于地下一層。其中1～5#變電站在01地塊。6～9#變電站在02地塊。

4.2 充電樁的供電方案分析

規(guī)劃車位總數(shù)為2875個（表1所示）。由于地下一層及地下二層層高相對較高，并且由于車位總數(shù)不足，大量機械停車位設置于地下一層及地下二層。故地下三層結構完成面為3米的情況下，需統(tǒng)一設置大量汽車充電車位來滿足要求。由于原設計院未考慮充電樁電源需求，從節(jié)省工期、減少經(jīng)濟損失并滿足要求的前提下，提出此方案。滿足指導性文件要求的話，本項目最少要設置290個充電車位。

根據(jù)現(xiàn)今電動汽車的使用情況以及辦公、商業(yè)為主的人群對充電樁的習慣，本工程01及02地塊地上一層室外采用布置大量直流充電樁（快充）的配置方案。01地塊地下三層區(qū)域采用大量交流充電樁（慢充）和小部分直流充電樁（快充）相結合的配置方案。而02地塊地下三層屬于住宅用地，未來主要服務于住宅小區(qū)業(yè)主。故采用交流充電樁（慢充）為主要充電手段比較適宜。

根據(jù)地下三層車庫內的停車類別及數(shù)量（表2）的具體分布，并考慮充電樁所需安裝空間，且需靠墻或柱布置，遠離排水溝、井及地漏等條件。住宅區(qū)域和商業(yè)區(qū)域供電也需分開。按防火分區(qū)劃分找尋集中滿足條件的車位，采用按區(qū)域集中布置供電的方式配電;室外部分的充電樁（快充）由于功率較大且數(shù)量多，變壓器低壓開關柜出線整定值一般不超過400A，需拆分開出線端以便穿電纜及敷設?？紤]到變壓器的用電負載率一般不超過80%，充電樁屬一般用電，發(fā)生火災時可強切，并與消防等設備錯峰運行，可近一步減小變壓器同步系數(shù)，達到最大經(jīng)濟效益。

室外及01地塊區(qū)域充電樁用電，采用從10KV變配電站低壓側0.4kV開關柜出線端按放射式的配電方式集中送出至各防火分區(qū)配電間;02地塊充電樁用電由電業(yè)K（P）型站低配柜引入，以電纜穿管埋地進戶后轉垂直橋架敷設方式至B3F配電間（室）進線柜（PJ1-G型），從出線柜按放射式的配電方式集中送出至各防火分區(qū)配電間。

01地塊布置30臺35kW的直流充電樁（快充）和190臺7kW的交流充電樁（慢充），02地塊布置70臺7kW的交流充電樁（慢充）。

4.3 負荷計算

01地塊充電樁負荷計算

1） 單臺充電樁輸入負荷大小計算

2） 01地塊車庫充電樁總輸入負荷大小計算

3）通過表3可知，單臺變壓器剩余容量不足以分擔充電樁總需求量。低壓配電室分布在地下一層各處，便于拆分充電樁需求量，從各低壓配電室配出以達到供電需求。

4）按單臺變壓器負載率0.85（含消防設備）計算剩余容量可帶充電樁數(shù)量。

以3#變壓器TM1為例，設X為0.85負載率情況下的變壓器剩余負載：（1810+X）/2500=0.85，X=315 KVA;設Y為剩余容量可帶慢充樁數(shù)量：0.8×8.64Y=315， Y=45 （臺）;設Z為剩余容量可帶快充樁數(shù)量：0.8×43.2Z=315， Z=9 （臺）：此處實際選擇安裝8臺充電樁（快充）。由于8臺容量太大，可拆分成5+3。

通過總負荷容量公式求得實際增加容量為0.8×8×35/（0.9×0.9）=276KVA，5臺的開關整定值為400A，電纜規(guī)格為WDZ-YJY-4x240+E120-CT，3臺的開關整定值為250A，電纜規(guī)格為WDZ-YJY-4x120+E70-CT。

通過此方法得出所有變壓器的可帶數(shù)量，結合滿足安裝條件的充電樁位置及配管敷設路由，優(yōu)化下最終的變壓器帶充電樁的數(shù)量及類別得出表4。由于采用同防火分區(qū)的普通用電與消防用電錯峰計算，并且滿負荷運行時間很短，故實際負載率并未如此高。

02地塊充電樁負荷計算

1） 單臺充電樁輸入負荷大小計算

2） 02地塊車庫充電樁總輸入負荷大小計算

由于引入小區(qū)K（P）型站低配柜已有12路進線。用電量基本飽和，無備用抽屜柜。只有另增2路進線。經(jīng)計算，電源進線13、14的視在功率均為214.4kVA，計算電流為325.95A，所以斷路器整定值為400A，進線電纜為WDZ-YJY-4x240+E120。由于小區(qū)安裝充電樁與商業(yè)不同，主要是業(yè)主向物業(yè)提出申請，電動汽車品牌的充電樁也不盡相同，故僅在B3F進線間的抽屜柜預留。

4.4 結論

通過上述計算方法，01與02兩地塊的商業(yè)變壓器無需增容即可滿足充電樁用電量需求及安裝總數(shù)，02地塊的住宅區(qū)域只需多引2路充電樁專屬進線電源即可解決問題。然而考慮到末端后續(xù)可能的變動、后續(xù)施工的整體難度及拆改成本，結合其他項目的電氣設計施工經(jīng)驗，從變電所低壓配電柜直接出線，引至地下車庫各防火分區(qū)充電樁配電總箱為最優(yōu)方案，配電總箱電源可以放置至防火分區(qū)配電間內上空，預留足夠長度后做好絕緣保護，也可總箱安裝就位，內留足夠出線開關供后續(xù)接出使用。

5 結束語

車庫充電設施的建設，為新能源汽車充電提供了便捷，改善了像上海這種特大型城市的環(huán)境污染問題，同時也推進了我國汽車能源結構的轉變。地下停車庫充電樁電氣設計應根據(jù)其主體建筑的使用功能性確定，參考當?shù)氐氖褂昧晳T，合理配置方案，并合理配置直流充電樁與交流充電樁的比例，設計中應當充分考慮充電樁的安全性和使用舒適度，遠離排水井地漏，加設短路保護和剩余電流保護，做好配電箱的重復接地。

參考文獻：

[1]地下車庫電動汽車充電樁電氣設計實例分析（藍云/曾昊）《智能建筑電氣設計》2017年6月第11卷第3期

[2]《電動汽車充電站設計規(guī)范》GB 50966-2014

[3]《工業(yè)與民用配電設計手冊》